基于Gene8310的嵌入式家庭服务机器人

1、基于Gene8310的嵌入式家庭服务机器人系统设计和实现摘要：为了实现智能家庭服务机器人的人脸跟踪、语音识别、自主移动、动作响应、远程遥控等功能，采纳了基于Gene8310的嵌入式设备系统，对家庭服务机器人进行整体设计，在硬件上外扩相应的通讯、传感、驱动等系统，在软件上引入人脸跟踪，语音识别技术，实现了机器人与人的和谐交互。实践证明该系统具有较好的实时性和鲁棒性。关键词：Gene8310家庭服务机器人嵌入式系统DesignandRealizationofEmbeddedSystemBasedonGene8310foraHomeServeRobotLuZhenWangZhiliangAbstra

2、ct:Thehomeserverobothasmanyfunctions,suchas:facetrack,voicerecognition,autonomousmove,actionperformance,andremotecontrol.ThisdesignuseGene8310SubCompactBoardsasembeddedsystem.Besidesthis,communication,sensor,motordriverhaveexpandinthissystem.Facetracking,voicerecognitionhavealsoimportinthissystem.Te

3、stshaveshownthatthedesignedsystemisautomaticallyandrobustlyinreal-time.在将家庭成员从家居的繁琐家务中 解放出来，给家庭成员提供关心、娱 乐等。Keywords:Gene8310homeserverobotembeddedsystem1引言家庭服务机器人是机器人的进展方向，是我国进一步加大机器人技术研究的突破口。家庭服务机器人旨家庭服硒器人的各项工作要求人腕歌踪命犍本文介绍的家庭服务机器人如图1所示。机器人身高140cm,行走驱动方式采取轮式差动驱动。胳膊是模拟肩关节、肘关节的三自由度结构，采纳伺服电机作为关节执行机构。机器

4、人上面安装了摄像头、麦克风接口、触摸液晶屏、超声波图1家庭服务机器人实物图传感器。能够与家庭成员完成人机交互，回答家庭成员的提咨询咨询题。本文设计的家庭服务机器人是基于Gene8310的嵌入式设备，在此基础上实现了自主移动、动作表演、人脸跟踪、语音交互、远程遥控等功能，测试表明，本系统具有良好的稳固性、使用性玩耗作:硬同够实现国总统设计供解踮附假入式系统2.1 整体系统设计针对家庭服务机器人的任务要求，将机器人操纵系统分成以下模块：嵌入式系统、摄像头、扬声器、麦克风、人脸跟踪系统、语音识别系统、无线通讯系统等。嵌入式系统采纳Gene8310微型主板作为硬件平台，运行Windows操作系统；人脸

5、跟踪系统、语音识别系统是运行在Windows操作系统下面的基于VC的程序；无线通讯系统是基于Q2501B的GPRS通讯模块；动作操纵是基于PIC16F877A的7自由度伺服电机的操纵；行走操纵是双行走轮差动操纵的驱动方式。2.2 动作操纵系统设计本文系统设评如/J o动作控制行走控制图2机器人操纵系统设计框图2.3行走操纵系统设计家庭服务机器人行走操纵系统 采纳的是双行走轮差动操纵的驱动 方式，机器人的模型如图3所示。那家庭服务机器人的动作要紧是让机器人模拟人的手臂关节，以便机器人实现人的一些动作，本论文设计的机器人手臂有三个自由度，分别模拟人体的肩关节、肘关节，能够实现抬臂、弯臂、摆臂等动作

6、，一个手臂三个自由度的组合，能够实现握手、挥手、招手等动作，两个手臂的组合又能够实现鼓掌、拥抱等人的差不多动作。个地点我们假定机器人和地面之间是纯滚动的，行走轮只旋转不打滑，得到翳in那式：&vcos（t）普中：（x,y）为机器人中心O点的参考坐标；0为机器人中心。点的运动方向角；Y为机器人中心O点的速度；3为机器人差动转向的角速度。按照上述数学模型，结合机器人的结构特点，把机器物运动简化为与地甲接触甲”决定一日巫o两点的位置 点的运4状态决定了XOY标系，人的硼祗如:图| 3中图3家庭服务机器人行走操纵在此，把前进的方向作为正方向，把后退的方向作为负方向，统一起来分析，设在某一时刻，左、右行

7、走轮的速度为vL、vR,左、右行走轮角速度为（oL、（oR,在专门短的时刻间隔At内，机器人的方向和线速度能够近似认为不改变。两行走轮与地面接触点之间的距离（即机器人两行走轮的跨距）为1。在行走过程中，主操纵系统把规划好的路径转变成随时刻变化的两个独立驱动轮的角速度的操纵，通过驱动器和电动机，分别去驱动两个驱动轮，两个驱动轮的角速度都要按照规划路径的变化而变化。当家庭成员发出指令让机器人去指定地点的时候，机器人按照事先规划好的路径自主到达指定的目的地。3无线通讯家庭服务机器人的无线通讯指的是人与机器人的远程通讯，最好利用现有的家庭成员的物件稍加改进皆能够实现对服务机器人的操作。本设计基于当前比

8、较普及的手机短信来实现对机器人的远程通讯，在机器人操纵系统上加一个手机模块，然后通过家庭成员的手机发短信来操纵机器人。本设计采纳的GPRS模块为wavecom公司的Q2501B,能够快速、安全、可靠的实现数据通信、语音传输、短消息服务，拥有OpenAT指令接口，支持文本和PDU模式的短消息，能够方便的通过串口发送AT指令来操作，值得一提的是，Q2501B模块内部还集成了一个GPS模块，定位精度3m。能够方便的将机器人的位置信息通过短消息传送给终端。机器人的远程遥控要紧是通过手机短信的方式实现的，在外的家庭成员通过自己的手机给智能家庭服图4无线通讯模块系统框图4人机交互家庭服务机器人的人机交互包

9、括家庭成员对机器人的命令以及机器人对家庭成员的反馈。本设计中的是实现人与机器人的语音交互。本设计中家庭服务机器人能够完成人脸的识别，跟踪，将人脸用红色矩形框标示出来。如图5所示。图5人机交互窗口4.1 人脸检测本设计采纳人脸肤色模型结合相似度以及人脸轮廓来检测和定位人脸。在YCbCr色彩空间(其中Y表示亮度，Cb表示饱和度，Cr表示色调)中Y值不同的地点，CbCr子平面中肤色聚类区域是不同的，肤色聚类区域随Y变化而出现出非线性变化。考虑Y值的阻碍，对YCbCr色彩格式进行非线性分段色彩变换，再将变换后的图形投影到Cb-Cr二维子空间就能够得到有用的人脸肤色聚类模型。按照该模型，可采纳基于相似度

10、的方法来检测人脸。为了排除亮度对人脸肤色的阻碍，定义r=R/(R+G+B),b=B/(R+G+B),把三维基色空间降解成二维的半基色空间，然后用基于频域的同态滤波法对图像进行光照补偿处理。如此就能大大地提开人脸检测的准确率。4.2 语音识别本设计采纳的语音识别引擎是基于汉语语义识别的语音识别系统，其关于汉字的识别有2000个汉字，能够满足家居生活对话的差不多需求，当前机器人与人的对话能够实现生活常识、旅行常识、脑筋急转弯、背诗、谈天等功能，给家庭成员提供娱乐、教育、关心等功能。4.3 运动响应机器人对人的运动响应要紧指得是机器人对人发出的运动指令的相应，在本设计当中，机器人能够相应的运动指令有

11、：前进、后退、左传、右转、摇头、请、招手、摆手、摆臂、挥手、鼓掌、握手、拥抱、再见等。机器人动腌相应呷过程如下图所示。J皿工图6服务机器人运动响应家庭成员通过麦克风向服务机器人发运动要求，语音识别引擎启动，将识别出来的语义与数据库匹配，取得动作指令码，然后将动作指令码通过串口发送到操纵模块，机器人执行机构执行相应的动作。5终止语本文设计了基于Gene8310微型主板的智能家庭服务机器人系统，本智能家庭服务机器人实现了人脸跟踪、语音识别、自主移动、动作响应、远程遥控等功能。其中自主移动采纳的是双行走轮差动操纵的驱动方式，专门好的满足了室内全方位移动的特性；远程遥控采纳的是基于Q2501B的GPRS网络，成本低，无距离限制，受环境阻碍较小，能够充分利用无线共网的其他优点，由于受到现有无线通信公网带宽的限制，其视频传输的特点较弱，随着3G技术的进展，高带宽将丰富机器人远程遥控的多媒体交互信息，家庭成员能够远程视频家居内部的情形；人脸跟踪是基于肤色模型和人脸轮廓理论实现人脸识别跟踪，模型有较好的实时性和鲁棒性；语音识别采纳的是基于模式识别的语音识别引擎，在特定数